一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法与流程

本发明涉及海洋环境监测领域，特别涉及一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法。

背景技术

海洋监测活动是面向海洋气象、水文、生态等监测对象的一系列监测活动，依赖于海洋浮标监测设备完成，海洋浮标布放位置是否合理直接关系到监测活动能否准确地刻画海洋环境要素的内在变化机理，同时也关系到是否能够最大化地实现我国海洋监测设备资源的优化配置。现有的海洋浮标布局规划方法有规则格网监测、不规则分布监测、重点区域密集监测等，会产生较严重的监测空白、重复监测、分布欠均匀等问题，现有的技术中缺乏有效的方法对海洋浮标站位布局合理性进行评价。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法，以达到能够解决海洋监测设备布局合理性评价问题，有效判定浮标站位分布过密、分布过疏、分布较均匀、分布欠均匀4种情况的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法，包括如下步骤：

第一步：计算海洋浮标站位有效覆盖区域；

第二步：建立浮标站位邻域模型；

第三步：判断是否存在监测重叠区域，如果存在重叠监测区域，则计算重叠区域的面积，及其占所有站位有效覆盖面积总和的百分比；如果重叠百分比超过阈值一，则定为该区域浮标站位布局显著过密，如果重叠百分比未超过阈值一，则进入第四步；如果不存在重叠区域，则直接进入第五步；

第四步：对重叠区域进行分割，重新确定各浮标站位的有效覆盖区域，并绘制新的有效覆盖区域多边形；

第五步：计算每个浮标的有效覆盖面积；

第六步：计算空白监测区域的面积及百分比，如果空白区域百分比未超过阈值二，则进入第七步，如果空白区域百分比超过阈值二，则判定为监测过疏；

第七步：计算所有浮标有效覆盖面积的平均值和标准差，并计算标准差与平均值的比值；采用标准差分析法判定浮标站位布局的合理性，标准差越大表示偏离平均值越大，分布越不均匀，布局越不合理；反之，标准差越小表示分布越均匀，布局越合理。

上述方案中，所述第一步的具体方法为：以海洋浮标站位点坐标数据和高精度水深数据为依据，以浮标站位坐标点为辐射中心，设计水深变化衰减函数及距离衰减函数，建立计算有效覆盖区域的函数；

采用栅格法，以浮标站位为中心，层层向外扩散，计算每个栅格点到中心点的距离和水深变化，确定其是否为衰减边界点，当找到所有的衰减边界点时，按照顺时针或逆时针方向连接各边界点，绘制覆盖区域多边形，并将浮标编号设置为多边形的属性，进而确定每个浮标测站位的有效覆盖区域。

上述方案中，所述第二步的具体方法为：以海洋监测浮标站位坐标点为母点，建立voronoi多边形，对监测海域进行空间划分，形成基于voronoi图的空间邻域模型，并建立相应的1阶空间邻接权重矩阵，以确定每个浮标站位的相邻站位点集。

上述方案中，所述第三步的具体方法为：采用空间叠加分析法，判断浮标站位的有效覆盖区域是否存在重叠，当一个覆盖区域多边形与其1阶邻域多边形相交时，则认定为存在重叠监测区域；如果存在重叠监测区域，则计算重叠区域的面积，及其占所有站位有效覆盖面积总和的百分比；如果重叠百分比超过10％，则定为该区域浮标站位布局显著过密；如果重叠百分比未超过10％的阈值，则进入第四步；如果不存在重叠区域，则直接进入第五步。

上述方案中，所述第四步的具体方法为：用voronoi多边形对重叠区域进行切割，将属于某个浮标站位voronoi多边形之外的区域从原来的有效覆盖区域多边形中减掉，得到新的有效覆盖区域多边形，对每一个存在重叠监测区域的多边形进行上述空间运算操作，进而得到每个浮标站位的精确有效覆盖区域多边形。

上述方案中，所述第五步的具体方法为：采用区域栅格统计法准确计算每个有效覆盖区域多边形的面积，记为每个浮标站位的有效覆盖面积。

上述方案中，所述第六步的具体方法为：对所有浮标的有效覆盖面积累积求和，得到总的监测覆盖面积，用目标海域总面积减掉总的监测覆盖面积得到监测空白区域面积，并计算空白监测区域占监测海域总面积的百分比；如果空白区域百分比未超过30％，则进入第七步；如果空白区域百分比超过30％，则判定为监测过疏。

上述方案中，所述第七步的具体方法为：当标准差与平均值的比值大于0.2时,判定为分布欠均匀；当标准差与平均值的比值小于0.2时，判定为分布较均匀。

通过上述技术方案，本发明提供的基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法采用计算机技术与空间分析技术，建立一种海洋浮标站位布局评估方法，能够解决海洋监测设备布局合理性评价问题，有效判定浮标站位分布过密、分布过疏、分布较均匀、分布欠均匀4种情况，为海洋环境监测提供有效的数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法流程示意图；

图2为本发明实施例所公开的浮标最大运动半径示意图；

图3为本发明实施例所公开的voronoi图生成过程示意图；

图4为本发明实施例所公开的voronoi多边形示意图；

图5为本发明实施例所公开的1阶空间邻接矩阵示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于空间分析的海洋浮标站位布局合理性评价方法，如图1所示，具体实施例如下：

(1)实现距离衰减系数的计算

有效覆盖区域判定主要受到距离变化的影响，当某个位置与浮标布放点的距离超出一定范围后，则浮标观测值不能反映该位置的海洋环境参数，浮标观测值只能用于表示有效覆盖区域内各位置的海洋环境要素。实现距离衰减系数计算的目的是确定浮标站位的有效覆盖区域。

距离衰减系数计算公式为：

其中，d(p,si)表示栅格点si到浮标布放点的水平距离，r为浮标最大运动半径。

在图2中r为最大运动半径，h为浮标布放点水深，l为浮标锚链长度，θ为锚链与布放点铅锤方向的夹角，则r的计算方法如下：

r＝l*cos^-1θ

在2r半径范围内距离系数为1，不发生衰减；在2r半径范围之外距离系数随着距离d的增加会逐渐从1衰减到0。在海沟、洋中脊、海岸带等水深变化比较剧烈的海底地形处，距离系数直接衰减为0，并将其确定为距离衰减边界线；在较为平坦水深变化较小的海域，当距离系数开始小于0.4时，将相应的栅格点位置确定为衰减边界点。

(2)有效覆盖区域多边形的构建

按照顺时针(或逆时针)方向连接各距离衰减边界点和距离衰减边界线得到的多边形，即为该浮标站位的有效覆盖区域，将浮标编号(buoynum)设置为多边形的一个属性，浮标站位i的有效覆盖区域多边形记作bi^p。重复(1)、(2)两步，构建所有浮标站位的有效覆盖区域多边形。

(3)构建voronoi空间邻域模型

构建voronoi空间邻域模型的目的是粗略确定每个浮标的服务范围，并建立浮标站位1阶空间邻近矩阵，便于查找与某浮标相邻的浮标站位。

a.生成voronoi图

编写计算机程序，以浮标站位点坐标为生成元，采用delaunay三角网法，自动生成voronoi图。设b＝{b1，b2，b3.....bn}为海洋浮标站位点集合，将集合b中各点设置为生成元，首先将各生成元连接成三角形，生成delaunay三角网，然后做出三角形各边的垂直平分线，各垂直平分线相交，以其交点作为顶点，以各垂直平分线作为边，构建voronoi图，生成的voronoi图由多个voronoi多边形组成，每个浮标站位都有一个相应的voronoi多边形，将浮标编号(buoynum)设置为voronoi多边形的一个属性。voronoi图的生成过程如图3、4所示。

b.建立1阶空间邻近矩阵

在voronoi图中，bi，bj的voronoi多边形分别记作为bi^v，bj^v，如果bi^v与bj^v共享voronoi边界称为1阶邻近，bi的所有1阶邻近浮标站位的voronoi多边形恰好能将其完全包围。由此可计算得出，图4中所示浮标站位集合b＝{b0，b1，b2，b3，b4，b5，b6}的1阶邻近矩阵如图5所示。0表示邻接，1表示不邻接，则b0与b1、b2、b3、b5、b6邻接。从图5中的矩阵中很容易计算出任意浮标站位的1阶邻近站位点集合。

(4)计算监测重叠区域

选择任意浮标站位有效覆盖区域多边形bi^p，从1阶空间邻近矩阵中查找其邻接浮标站位，得到所有邻接浮标站位的有效覆盖区域多边集合b＝{bj^p(j≠i)}，将bi^p依次与集合b中各多边形做空间叠加(union)运算，每次运算的结果作为与下个多边形做union运算的输入，直到遍历完b中的所有多边形，得到新的多边形集合bi'。对所有浮标站位有效覆盖区域多边形执行上述运算，已经参与过运算的多边形不重复执行union运算，最终得到新的多边形集合b'，b'＝{bi'，0≤i≤n}，n为浮标站位个数。

计算b'的面积sb'与浮标站位有效覆盖区域多边形其中，si为bi^p的面积。如果则不存在监测重叠区域。如果sb'≤s，则存在监测重叠区域，当时，判断该区域浮标站位布局过密。当时，将对重叠区域进行分割，则进一步分析浮标站位布局均匀性。

(5)分割监测重叠区域

将浮标站位的voronoi多边形bi^v与有效覆盖区域多边形bi^p做空间相交(intersect)运算,得到这两者的相交区域bi^vinterp。对监测重叠区域重新分割后，bi^vinterp记作浮标站位i的有效覆盖多边形。对所有的浮标站位执行上述运算，得到分割后的所有浮标站位的新的有效覆盖区域多边形集合b^vinterp。

b^vinterp＝{bi^vinterp0≤i≤n}，n为浮标站位个数。

(6)计算空白监测区域的面积及百分比。

对所有浮标的有效覆盖区域面积累积求和，得到总的监测覆盖面积用目标海域总面积st减掉得到监测空白区域面积s″,当时，判定为监测过疏；当时，则进一步分析浮标站位布局均匀性。

(7)浮标监测站位布局均匀性分析

计算所有浮标有效覆盖面积的平均值和标准差σ，采用标准差分析法判定浮标站位布局的合理性，标准差越大表示偏离平均值越大，分布越不均匀，布局越不合理；反之，标准差越小表示分布越均匀，布局越合理。当标准差与平均值的比值大于0.2时,判定为分布欠均匀；当小于0.2时，判定为分布较均匀。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。